Technologie a protokoly IoT

Začněte ve světě IoT. Tato příručka vám poskytne pevný základ v oblasti technologií a protokolů IoT, který vám pomůže dělat správná rozhodnutí pro účely vašeho projektu.

Příručka k technologiím a protokolům IoT

Internet věcí je průsečíkem integrovaných systémů, bezdrátových sítí senzorů, řídicích systémů a automatizace a díky tomu umožňuje vznik propojených továren, inteligentního maloobchodního prodeje, chytrých domácností a nositelných zařízení. Technologie IoT umožňují transformaci podnikání díky přehledům založeným na datech, vylepšeným provozním procesům, novým oborům a efektivnějšímu využití materiálů.

Technologie IoT se neustále rozšiřují a každý rok vzniká nepřeberné množství poskytovatelů služeb, nejrůznější platformy a miliony nových zařízení. Před vývojáři, kteří chtějí vstoupit do ekosystému IoT, tak stojí celá řada rozhodnutí. Tato příručka je navržená tak, aby vám pomohla porozumět běžným požadavkům na protokoly IoT, spotřebu a připojení.

Ekosystém technologií IoT

Ekosystém technologií IoT se skládá z následujících vrstev: vrstva zařízení, datová vrstva, vrstva připojení a vrstva uživatelů technologií.

Vrstva zařízení

Kombinace senzorů, ovladačů, hardwaru, softwaru, možností připojení a bran tvořících zařízení, které se připojuje k síti a komunikuje s ní

Datová vrstva

Data, která se shromažďují, zpracovávají, odesílají, ukládají, analyzují, prezentují a používají v obchodních kontextech

Obchodní vrstva

Obchodní funkce technologie IoT, včetně správy fakturace a tržišť dat

Uživatelská vrstva

Komponenty, které umožňují lidem komunikovat se zařízeními IoT.

Stack technologií IoT, část 1:
Zařízení IoT

Zařízení IoT

Tady je několik běžných výrazů souvisejících se zařízeními ve stacku technologií IoT:

Integrované systémy

Zahrnují hardware i software a starají se o konkrétní funkce v rámci většího systému. Integrované systémy jsou založené na mikroprocesorech nebo mikrořadičích.

Inteligentní zařízení

Tato zařízení mají schopnost provádět výpočty a často obsahují mikrořadič.

Jednotka mikrořadiče (MCU)

Tyto malé počítače jsou integrované v mikročipech a obsahují procesory, paměť RAM a paměť ROM. Přestože mikrořadiče obsahují elementy potřebné ke spouštění jednoduchých úloh, mají omezenější výkon než mikroprocesory.

Jednotka mikroprocesoru (MPU)

Uchovává funkce procesorů v jednom nebo několika integrovaných obvodech. Přestože mikroprocesory k provádění úloh vyžadují periferie, výrazně snižují náklady na zpracování, protože obsahují pouze procesor.

Jiná než výpočetní zařízení

Tato zařízení se pouze připojují a přenášejí data, ale nemají schopnost provádět výpočty.

Měniče

Fyzická zařízení, která převádějí jeden druh energie na jiný. V zařízeních IoT mezi ně patří interní senzory a ovladače, které přenášejí data, když objekty reagují se svým okolím.

  • Ovladače

    Provádějí fyzické akce, když jim řídicí centrum předá pokyny, obvykle v důsledku změn zjištěných senzory.

  • Senzory

    Rozpoznávají změny ve svém okolí a komunikují prostřednictvím elektrických impulsů. Senzory obvykle rozpoznávají změny prostředí, jako jsou změny teploty, chemické změny nebo změny fyzické pozice.

Stack technologií IoT, část 2:
Protokoly a možnosti připojení IoT

Při plánování projektu IoT je důležité zvážit, jakým způsobem se zařízení připojí a jak bude komunikovat. Tím se určí, jaké protokoly IoT se na něj budou vztahovat.

Propojení zařízení IoT

Ve stacku technologií IoT se zařízení propojují prostřednictvím bran firewall nebo s využitím integrovaných funkcí.

Co jsou brány IoT?

Brány propojují zařízení IoT s cloudem. Data shromážděná ze zařízení IoT procházejí bránou, předběžně se zpracovávají na hraničních zařízeních a pak se odesílají do cloudu.

Používáním bran IoT se prodlužuje výdrž baterie, snižuje latence a zmenšuje velikost přenášených dat. Brány umožňují propojit také zařízení bez přímého přístupu k internetu a zajišťují další vrstvu zabezpečení tím, že chrání data přenášená oběma směry.

Jak připojit zařízení IoT k síti?

Potřebný typ připojení se odvíjí od zařízení, jeho funkce a jeho uživatelů. Potřebný typ připojení IoT obvykle závisí na vzdálenosti, kterou data musí urazit (kratší, nebo delší dosah).

Typy sítí IoT

Sítě s nízkou spotřebou a krátkým dosahem

Tyto sítě jsou vhodné pro domácnosti, kanceláře a další menší prostory. Využívají malé baterie (a v některých případech dokonce žádné) a jejich provoz je často levný.

Mezi běžné příklady patří:

Bluetooth

Technologie Bluetooth je vhodná pro vysokorychlostní přenos dat a dokáže odesílat hlasové i datové signály do vzdálenosti až 10 metrů.

Wi-Fi/802.11

Díky nízkým provozním nákladům je Wi-Fi standardem pro domácnosti i kanceláře. Kvůli omezenému dosahu a nepřetržité spotřebě energie se však nemusí jednat o správnou volbu pro všechny scénáře.

Z-Wave

Smíšená síť pro domácí zařízení umožňující komunikaci s využitím nízkoenergetických rádiových vln. Z-Wave nabízí interoperabilitu aplikačních vrstev mezi systémy domácí automatizace.

Zigbee

Zigbee je běžná volba pro účely domácí automatizace a zdravotnická zařízení, která je nejvhodnější pro osobní sítě s malými zařízeními s nízkou spotřebou a nízkou šířkou pásma v blízkém dosahu.

Rozlehlé sítě s nízkou spotřebou (LPWAN)

Umožňují komunikaci na vzdálenost minimálně 500 metrů, vyžadují minimální výkon a používají se pro většinu zařízení IoT. Například rozlehlé sítě s dlouhým dosahem (LoRaWAN) propojují mobilní, zabezpečená obousměrná zařízení na baterie.

Mezi běžné příklady patří:

4G LTE pro IoT

Tyto sítě nabízí vysokou kapacitu a nízkou latenci a jsou tak skvělou volbou pro scénáře IoT, které vyžadují informace nebo aktualizace v reálném čase.

5G pro IoT

Sítě 5G pro IoT ještě nejsou dostupné, ale očekává se, že umožní další inovace v oblasti IoT, protože nabídnou mnohem rychlejší stahování a připojení k mnoha dalším zařízením v dané oblasti.

Cat-0

Tyto sítě založené na technologii LTE představují nejlevnější možnost. Pokládají základy pro technologii Cat-M, která nahradí technologii 2G.

Cat-1

Tento standard pro mobilní zařízení IoT postupně nahradí technologii 3G. Sítě Cat-1 jsou snadno nastavitelné a nabízí skvělé řešení pro aplikace vyžadující hlasové rozhraní nebo rozhraní v prohlížeči.

LTE Cat-M1

Tyto sítě jsou plně kompatibilní se sítěmi LTE. Optimalizují náklady a spotřebu v čipech LTE druhé generace navržených speciálně pro aplikace IoT.

Narrowband

Tento rádiový technologický standard funguje na podmnožině standardu LTE. Zaměřuje se na pokrytí uvnitř budov a nabízí nízké náklady a dlouhou výdrž baterie.

NB-IoT/Cat-M2

S využitím modulace DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) odesílá data přímo na server a eliminuje potřebu brány. Přestože jsou sítě NB-IoT nákladnější na nastavení, díky tomu, že nevyžadují bránu, je jejich provoz levnější.

Sigfox

Tento přední globální poskytovatel sítě pro IoT nabízí bezdrátové sítě umožňující propojení objektů s nízkou spotřebou, které nepřetržitě vysílají data.

Protokoly IoT: Způsob komunikace zařízení IoT se sítí

Zařízení IoT komunikují s využitím protokolů IoT. Protokol IP (Internet Protocol) představuje sadu pravidel, která určují způsob odesílání dat na internet. Protokoly IoT zajišťují, aby informace z jednoho zařízení nebo senzoru mohly číst a pochopit jiná zařízení a senzory. Vzhledem k tomu, že je dostupná řada různých zařízení IoT, je důležité ve správném kontextu používat správný protokol.

Jaký protokol IoT je pro mě nejvhodnější?

Typ protokolu IoT, který použijete, závisí na vrstvě architektury systému, ve které se musí přenášet vaše data. Model OSI (Open Systems Interconnection) nabízí mapu různých vrstev, které odesílají a přijímají data. Všechny protokoly v architektuře systému IoT umožňují komunikaci mezi zařízeními, mezi zařízením a bránou, mezi bránou a datacentrem nebo mezi bránou a cloudem a také komunikaci mezi datacentry.

Aplikační vrstva

Aplikační vrstva slouží jako rozhraní mezi uživatelem a zařízením.

Rozšířený protokol řízení front zpráv (AMQP)

Softwarová vrstva, která zajišťuje interoperabilitu mezi middlewarem pro zasílání zpráv. Zajišťuje standardizované zasílání zpráv v průmyslovém měřítku a umožňuje tak spolupráci široké škály systémů a aplikací.

Omezený aplikační protokol (CoAP)

Protokol s omezenou šířkou pásma a omezenými sítěmi navržený tak, aby zařízením s omezenou kapacitou umožňoval zapojit se do komunikace mezi počítači. Protokol CoAP je určený také k přenosu dokumentů, který probíhá přes protokol UDP (User Datagram Protocol).

DDS (Data Distribution Service)

Univerzální komunikační protokol peer-to-peer, který zajišťuje vše od provozu velmi malých zařízení až po propojování vysoce výkonných sítí. Protokol DDS zjednodušuje vývoj, zvyšuje spolehlivost a snižuje složitost.

MQTT (Message Queue Telemetry Transport)

Protokol zasílání zpráv navržený pro jednoduchou komunikaci mezi počítači, který se primárně používá pro připojení s nízkou šířkou pásma ke vzdáleným lokalitám. Protokol MQTT využívá vzor vydavatel-odběratel a je ideální pro malá zařízení, která vyžadují efektivní využívání šířky pásma a baterie.

Transportní vrstva

Transportní vrstva umožňuje a chrání komunikaci dat při jejich přecházení mezi vrstvami.

Protokol TCP (Transmission Control Protocol)

Převládající protokol pro většinu připojení k internetu. Nabízí komunikaci mezi hostiteli, rozděluje velké sady dat na jednotlivé pakety a v případě potřeby pakety znovu odesílá a sestavuje.

Protokol UDP (User Datagram Protocol)

Komunikační protokol, který umožňuje komunikaci mezi procesy a běží na protokolu IP. Protokol UDP zrychluje přenos dat přes protokol TCP a je nejvhodnější pro aplikace, které vyžadují bezztrátový přenos dat.

Síťová vrstva

Síťová vrstva pomáhá jednotlivým zařízením komunikovat se směrovačem.

6LoWPAN

Verze protokolu IPv6 s nižší spotřebou, která zrychluje přenos.

IPv6

Tato nedávná aktualizace protokolu IP směruje provoz přes internet a vyhledává a identifikuje zařízení v síti.

Vrstva datového propojení

Datová vrstva přenáší data v rámci architektury systému a identifikuje a opravuje chyby zjištěné ve fyzické vrstvě.

IEEE 802.15.4

Rádiový standard pro bezdrátové připojení s nízkou spotřebou. Společně se Zigbee, 6LoWPAN a dalšími standardy se používá k vytváření bezdrátových integrovaných sítí.

LPWAN

Tento typ sítě umožňuje komunikaci na vzdálenost minimálně 500 metrů. Příkladem sítě LPWAN je síť LoRaWAN optimalizovaná pro nízkou spotřebu energie.

Fyzická vrstva

Fyzická vrstva vytváří komunikační kanál, který umožňuje připojení zařízení v rámci určeného prostředí.

Bluetooth Low Energy (BLE)

Výrazně snižuje spotřebu energie i náklady a zajišťuje podobný dosah připojení jako klasická technologie Bluetooth. Technologie BLE funguje nativně napříč mobilními operačními systémy a díky nízkým nákladům a dlouhé výdrži baterie se z ní rychle stává oblíbená volba pro spotřební elektroniku.

Ethernet

Toto kabelové připojení představuje levnější alternativu, která nabízí rychlé datové připojení a nízkou latenci.

LTE (Long Term Evolution)

Standard bezdrátové širokopásmové komunikace pro mobilní zařízení a datové terminály. LTE zvyšuje kapacitu a rychlost bezdrátových sítí a podporuje vícesměrové vysílání a streamy všesměrového vysílání.

Bezkontaktní komunikace (NFC)

Sada komunikačních protokolů využívajících elektromagnetická pole, která umožňuje komunikaci dvou zařízení na vzdálenost až čtyři centimetry. Zařízení s podporou NFC fungují jako identifikační karty a běžně se používají pro bezkontaktní mobilní platby, prodej vstupenek a čipové karty.

Radiofrekvenční identifikace (RFID)

S využitím elektromagnetických polí sleduje značky elektroniky, která je jinak bez napájení. Napájení poskytuje kompatibilní hardware, který s těmito značkami také komunikuje a čte jejich informace pro účely identifikace a ověřování.

Wi-Fi/802.11

Standard pro domácnosti i kanceláře. Přestože se jedná o levnou variantu, kvůli omezenému dosahu a nepřetržité spotřebě energie nemusí být vhodná pro všechny scénáře.

Stack technologií IoT, část 3:
Platformy IoT

Platformy IoT usnadňují tvorbu a spouštění projektů IoT tím, že nabízejí jedinou službu, která spravuje vaše nasazení, zařízení i data. Platformy IoT spravují hardwarové a softwarové protokoly, nabízejí zabezpečení a ověřování a poskytují uživatelská rozhraní.

Přesná definice platformy IoT neexistuje, protože více než 400 poskytovatelů služeb nabízí funkce od softwarových a hardwarových funkcí až po sady SDK a rozhraní API. Většina platforem IoT však zahrnuje následující:

  • Cloudová brána IoT
  • Ověřování, správa zařízení a rozhraní API
  • Cloudová infrastruktura
  • Integrace aplikací třetích stran

Spravované služby

Spravované služby IoT pomáhají podnikům aktivně provozovat a udržovat své ekosystémy IoT. K dispozici je celá řada spravovaných služeb IoT, které pomáhají zjednodušit a podpořit proces vytváření, nasazování, správy a monitorování projektu IoT.

Vztah IoT k aktuálním technologiím

Virtuální realita a IoT

Virtuální realita a IoT vám při společném použití můžou pomoct vizuálně uvést do kontextu složité systémy a rozhodovat se v reálném čase. Například rozšířená realita (označovaná také jako smíšená realita) vytváří vizuální překrytí shromážděných dat a ve spojení s IoT má širokou škálu praktického využití. Kombinace virtuální reality a IoT zrychluje technologické pokroky v oborech, jako jsou zdravotnictví, služby u zákazníků, doprava nebo výroba.

Kvantové výpočty a IoT

Značné množství dat generovaných zařízeními IoT je přirozeně vhodné pro využití schopnosti kvantových výpočtů provádět rychle náročné výpočty. Kvantová kryptografie navíc pomáhá přidat požadovanou další úroveň zabezpečení, které však v současné době stojí v cestě nízký výpočetní výkon většiny zařízení IoT.

Blockchain a IoT

V současné době neexistuje žádný způsob, jak před prodejem nebo sdílením dat z IoT ověřit, jestli nedošlo k jejich manipulaci. Blockchain a IoT společně eliminují datová sila a podporují vztah důvěryhodnosti, aby se data mohla ověřovat a sledovat a aby byla spolehlivá.

Open source a IoT

Technologie open source zrychlují IoT a umožňují vývojářům používat u aplikací využívajících technologie IoT libovolné nástroje.

Bezserverová architektura a IoT

Projekty IoT mají proměnlivý provoz a bezserverová architektura nabízí cenově výhodný způsob dynamického škálování, aniž byste si museli dělat starosti se správou infrastruktury.

Kubernetes a IoT

Díky modelu nasazení bez výpadků pomáhá Kubernetes zajistit aktualizace projektů IoT v reálném čase bez dopadu na uživatele. Kubernetes se snadno a efektivně škáluje s využitím cloudových prostředků a poskytuje tak společnou platformu pro nasazení na hraničních zařízení.

Umělá inteligence a IoT

Systémy IoT shromažďují tak velké objemy dat, že je často potřeba k řazení a analýze dat využít umělou inteligenci a strojové učení, abyste mohli rozpoznávat vzory a provádět akce na základě přehledů. Umělá inteligence například může analyzovat data shromážděná z výrobních zařízení a předpovídat potřebu údržby a tím snížit náklady a zkrátit výpadky v případě neočekávaných poruch.

Data a analýzy IoT

Technologie IoT generují tak velké objemy dat, že k transformaci dat na užitečné přehledy jsou potřeba specializované procesy a nástroje.

Běžné aplikace využívající technologie IoT:

Prediktivní údržba

Modely strojového učení IoT navržené a natrénované k identifikaci signálů v historických datech je možné použít k identifikaci stejných trendů v aktuálních datech. Uživatelé díky tomu můžou automatizovat žádosti o preventivní služby a objednávat nové součástky předem, aby byly v případě potřeby vždy k dispozici.

Rozhodování v reálném čase

Efektivní architektury analýz IoT v reálném čase se škálují pro účely analýz velkých objemů dat a zajištění nízké latence. K dispozici je celá řada analytických služeb pro IoT s komponentami navrženými tak, aby zajišťovaly komplexní generování sestav v reálném čase, mezi které patří:

  • Velkoobjemové úložiště dat používající formáty, které můžou analytické nástroje dotazovat
  • Velkoobjemové zpracování datových proudů umožňující filtrování a agregaci dat před provedením analýzy
  • Výsledky analýz s nízkou latencí s využitím nástrojů pro analýzy v reálném čase, které generují sestavy a vizualizace dat
  • Příjem dat v reálném čase s využitím zprostředkovatelů zpráv

Běžné výzvy spojené s technologiemi IoT:

Úložiště dat

Rozsáhlé shromažďování dat vede k potřebě velkého úložiště dat. K dispozici je několik služeb úložiště dat, které se liší ve funkcích, jako jsou organizační struktury, ověřovací protokoly a omezení velikosti.

Zpracování dat

Objem dat shromažďovaných prostřednictvím IoT představuje výzvy v oblasti jejich čištění, zpracování a rychlé interpretace. Výpočty na hraničních zařízeních řeší tyto výzvy tím, že přesouvá většinu zpracování dat z centralizovaného systému na hranici sítě blíže zařízením, která tato data potřebují. Decentralizace zpracování dat však představuje nové výzvy například v oblasti spolehlivosti a škálovatelnosti hraničních zařízení a zabezpečení přenášených dat.

Zabezpečení IoT, bezpečnost a ochrana osobních údajů

Klíčovými aspekty jakéhokoli projektu IoT jsou zabezpečení IoT a ochrana osobních údajů. Technologie IoT můžou transformovat vaše obchodní operace, ale zařízení IoT můžou představovat hrozbu, pokud nejsou dostatečně zabezpečená. Kybernetické útoky můžou ohrozit data, zničit zařízení a dokonce i někomu ublížit.

Silné kybernetické zabezpečení IoT přesahuje standardní opatření pro zajištění důvěrnosti a zahrnuje modelování hrozeb. Pochopení různých způsobů, jakými útočníci můžou ohrozit váš systém, je prvním krokem k prevenci útoků.

Další informace o zabezpečení IoT

Zdroje do začátku

IoT v reálném světě: Scénáře z výroby

Přečtěte si, jak obchodní vedoucí používají IoT k zachování kontroly nad daty, zařízeními a aplikacemi. Lépe pochopíte, co je potřeba k využití možností technologií IoT a jak zprovoznit vaše řešení.

Přečíst elektronickou knihu

Sestavování řešení IoT pomocí Azure: Příručka pro vývojáře

Získejte přehled o službách, které řeší klíčové požadavky na řešení IoT, a také podrobný indikátor průběhu, který vám pomůže zvýšit odbornost a rychle přejít k plně funkčním řešením.

Projít příručku

Vaše podnikání v oblasti IoT potřebuje správný obchodní model

Znovu promyslete váš aktuální obchodní model nebo najděte nový model s podporou IoT, který lépe podporuje váš způsob interakce se zákazníky. Prozkoumejte několik strategií z hlediska nákladů a návratnosti.

Přečíst elektronickou knihu

Pořad o Internetu věcí

Udržujte si přehled o nejnovějších oznámeních Microsoftu týkajících se IoT, ukázkách produktů a funkcí, vybraných řešeních pro zákazníky a partnery, předních oborových rozhovorech a podrobných materiálech na technická témata.

Sledovat nejnovější epizodu

Spolupracujte s důvěryhodným dodavatelem IoT řešení

Kontaktujte nás